浙江工业大学《通信光电子基础》课件 第二讲 激光原理

第二讲激光原理及相关技术

（两次课时）电磁场与原子系统的相互作用爱因斯坦的受激辐射理论常见激光器类型激光器应用举例能量的分立（量子化）电子轨道学说与原子的能级分立说明当电子发生跃迁即原子由一个能量状态过渡到另一个状态时，所吸收或发射的光子的能量是不连续的，每一份能量E=hv代表两个确定能态之差。两个定态:基(低)态E1和激发(高)态E2。电磁场(波)与原子系统之间会产生相互作用.发生在两个定态之间的两种跃迁:自发跃迁(自发吸收自发辐射)受激跃迁(受激吸收受激辐射)自发跃迁(spontaneoustransition)自发跃迁原则上可分为自发吸收和自发辐射两个逆过程。自发吸收(不能发生)自发辐射受激跃迁(Stimulatedtransition)受激辐射受激跃迁可分为受激吸收和受激辐射两个逆过程受激吸收爱因斯坦的受激辐射理论两个定态:

基(低)态E1和激发(高)态E2。自发辐射:若原子处于态2，通过自发辐射回到态1，同时发出一个(E2－E1=hν21)的光子。受激吸收:在外界电磁场作用下，电子吸收等于或略大于hν12的能量，由态1→态2即跃迁到高能态的过程。爱因斯坦认为仅仅根据上述两种过程的平衡是导不出普朗克公式的。他天才地引入第三个即“受激辐射”过程，从而导出普朗克公式，也确立了受激辐射理论。但没有想到的是，在他死后“受激辐射”理论导致了激光的发明。受激辐射:若原子处于态2，在外界电磁场诱导下，实现从态2→态1的跃迁，发出与入射光完全相同的光子的过程。(hν21=E2－E1)。自发跃迁与受激跃迁区别

Differencebetweenspontaneousandinducedtransition自发跃迁只能发生在2

1，从1

2的跃迁几率为零。受激跃迁是指原子系统受到外界电磁场诱导后的一种跃迁，从2

1和从1

2的跃迁都能发生，而且几率相等。受激跃迁几率与外界电磁场强度成正比，而自发跃迁几率与其无关，它只与原子系统本身的结构有关。受激辐射的爱因斯坦理论爱因斯坦证明普朗克辐射公式 考虑原子系统有二个能级，基态1和激发态2。在爱因斯坦之前，人们认为在E2和E1两能级之间只存在两个动作即自发（下标SP）辐射跃迁2→1和受激(ST)吸收跃迁1→2。

二能级跃迁图ststsp受激辐射的爱因斯坦理论自发辐射跃迁自发辐射的跃迁几率A21

A21表示从态2向下自发跃迁到态1的几率，态2

的单位体积

粒子数N2的减少率-dN2/dt等于N2A21

即：定义自发跃迁寿命为态2的粒子数密度下降到初始值的1/e的时间,即

受激辐射的爱因斯坦理论受激吸收跃迁 在外场（辐射能量密度为ρ(ν)）的作用下，从基态1的粒子受激(st)跃迁到激发态2的几率W12为：

(W12)st=B12×ρ(ν)

如果仅仅存在自发辐射跃迁和受激吸收跃迁这两个动作，是导不出普朗克公式的，爱因斯坦认为应当存在第三个动作。受激辐射的爱因斯坦理论受激辐射跃迁 在外场〖辐射能量密度也是ρ(ν)〗的作用下，处在E2的粒子受外场的诱导而跃迁到E1,那么由2→1的受激(st)辐射跃迁几率W21为：

(W21)st=B21×ρ(ν) 式中B12,B21为二个待定系数。受激辐射的爱因斯坦理论三个动作之间的平衡在热平衡态的情况下，由2→1的粒子数一定等于由1→2的粒子数，所以可得爱因斯坦三个动作之间的平衡方程：

N2×[B21ρ(ν)+A21]=N1B12ρ(ν)

式中N1表示处于E1态的粒子数密度。己知在温度T下，黑体辐射场的能量密度可表示为 (KB=1.38X10-23J/K)受激辐射的爱因斯坦理论在动态平衡时，原子系统中能级E2和E1的粒子数密度分布N2和N1服从玻尔兹曼(Boltzmann)分布定律：

代入得：N2×[B21ρ(ν)+A21]=N1B12ρ(ν)

爱因斯坦认为：当且仅当

B12＝B21

A21/B21=8πn3hν3/c3

受激辐射的爱因斯坦理论

-----小结 在二个能级之间，只有存在自发辐射，受激吸收和受激辐射三个动作并达到平衡时，爱因斯坦的辐射公式才与普朗克的黑体辐射定律一致。因为普朗克黑体辐射定律是不容怀疑的，为无数的实验所证明，那么爱因斯坦的受激辐射原理也是正确无疑的。受激辐射理论-----小结自发辐射是光子在频率、相位、方向、偏振上都是各自无关的随机发射。如果把原子系统比作一个交响乐队，那么自发辐射过程就象各个乐师正在各自调音，发出的是一片噪声，杂乱无章不堪入耳。用光子学的语言，自发辐射是原子无序的非相干辐射，是噪声。受激辐射则完全不同，当原子系统与外部的电磁辐射相互作用，将感应同频率、同位相、同偏振、同辐射方向(俗称“四同”)的原子产生受激跃迁。受激辐射好象是在乐队指挥(外部辐射)下，交响乐队发出悦耳和谐的音乐一样。受激辐射是原子有序的相干辐射。受激辐射图示:激光原理示意图激光的产生:(粒子数反转,激光谐振腔,泵浦源)1、粒子数反转E1E2粒子数反转产生激光的必要条件：实现粒子数反转。激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。三能级受激跃迁示意图(RubyLaser)无辐射跃迁E3E2E1hν三能级系统。E1是基态，所以n1是一个大数。只有将n1的50%以上泵浦到n2 才能实现n2>n1的条件。三能级系统一般只产生脉冲激光。

三能级与四能级系统四能级系统吸收带为E3，基态为E0，激光生于E2→E1。它的优点在于按玻尔兹曼分布律，在E1-E0>时，n1基本上是空态。因此，要实现n2>>n1是相当容易的。可实现连续波输出。四能级系统2.光学谐振腔:全反射镜部分反射镜工作物质谐振腔长度：谐振腔的作用：（1）维持光振荡，起到光放大作用。（2）使激光产生极好的方向性。（3）使激光的单色性好。3.激励泵浦可通过光泵浦及电泵浦实现激光介质的粒子数反转激光的四个特性:1、方向性好。2、单色性好。3、相干性好。4、能量集中。典型的激光器:

He-Ne的泵浦过程是通过放电使Ne成为激发态离子。首先，是把电子e通过电场加速使电子激发到高能态

e*，然后e*与He原子碰撞把He激发He*(23S和21S态)

He的23S和21S能级几乎与氖Ne的2S和3S能级重合，所以它们通过He-Ne离子之间的碰撞导致能量交换使Ne离子激发到受激态。在Ne的3S----2P之间跌迁，发出6328A的红色激光。He-Ne激光器是最早研究成功的气体激光器，发明于1961。激光器类型三能级与四能级系统气体,液体,固体激光器He-Ne激光器,ＣＯ２激光器各种染料激光器，红（蓝）宝石激光器，半导体激光器受激辐射的跃迁几率白色光谱下的受激辐射几率

此式表示在白色光谱下,且在单位频率能量密度为ρ(ν)的外场作用下，每个原子的受激跃迁几率。 受激辐射的跃迁几率(续)单色光谱下的受激辐射几率 在光子学中，我们更关心的是在频率为ν的单色光场所激发的跃迁几率Wi21。频率ν的单色场对原子体系跃迁作用的强度与原子光谱的线形函数g(ν)成正比。因为在ν附近ρ(ν)看作是恒定的，即ρ(ν)=ρν，这样在ν附近的变化可以用ρ(ν)=ρνg(ν)来表示，所以单色场激发下的原子跃迁几率表为:受激辐射的跃迁几率(续)又因为光强是通过单位面积的功率(瓦/米2)

故有，所以

式中，上标i表示感应跃迁。吸收与放大外来的单色电磁波进入粒子数密度分别为N2、

N1的激光介质时，将有个粒子从2到1，同时有个粒子从1到2。于是单位体积内产生的光功率：

电磁波在激光介质中传播，光强随距离z的变化为：将上式对z积分得：

dz激光振荡原理(续)指数增益系数 在激光棒中，光强呈指数形式增长。粒子数反转从上式可以清楚看出当 所以，只有在粒子数反转时,才